静水中高速艇纵向运动数值模拟

为准确估算高速艇在静水中航行的水动力性能,以某高速艇为研究对象,基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技术,应用切割体网格和重叠网格、两相流、VOF模型、6-DOF模型等物理模型和k－ε湍流模型,对静水中高速艇升沉、纵摇耦合运动进行数值模拟,分析了高速艇阻力随航速变化及运动过程中纵倾角度和重心位置的变化情况,并将计算结果与船模实验值进行了比较,以证明高速艇纵向运动水动力性能数值模拟方法的可行性和准确性.     

高速滑行艇“海豚运动”现象的实时数值预报方法

基于计算流体力学软件FLUENT及滑行艇纵向运动方程,编写了耦合求解滑行艇纵向运动响应特性的数值预报程序,进行了均匀来流中三维滑行艇模型"海豚运动"现象的数值模拟,分析了滑行艇在不同航速及重心位置条件下的升沉、纵摇运动特性.结果表明:当滑行艇的重心与艇艉的距离lg=0.231L(L为艇长),体积Froude数Fr▽≥2.7时,滑行艇出现"海豚运动"现象,且艇体的升沉量、纵倾角和响应频率均随着航速的增加而增大;当Fr▽=5.0,滑行艇重心处于lg=0.381L,0.351L时均出现"海豚运动"现象,且其升沉量、纵摇角的幅值和响应频率均随着重心纵向位置移向艇艉而增大.     

滑波航行器的水动力试验

摘要： 设计建造了滑波航行器的原理样机--漫步者I,并在水池中进行了静水环境下阻力试验、规则波中自航试验及无约束迎浪航行试验.研究了滑波航行器静水阻力成分以及规则波波长与波幅对滑波航行器浮体升沉幅度、纵摇角度、滑波推进器推力值及无约束航行航速的影响,得到了一系列波长、波幅下各参数变化的趋势.试验结果为数值计算提供了新的研究方向,为研发大航程低碳型无人水面艇奠定了技术基础.     

局部气垫双体船阻力与航态性能试验研究

为验证局部气垫双体船的航行性能,对其阻力特性和航态性能进行试验研究.基于船模试验测量了其在不同排水量和不同重心条件下的阻力值、升沉幅值以及纵倾角度,分析了阻力、航态等特性随进气流量的变化规律.结果表明:当气垫长度傅汝德数小于0.8时,船体阻力随气垫进气流量减小而降低,并且此时的越峰能力较强;当船速增加时,船体阻力随气垫进气流量增加而降低.重心位置适当后移能有效改善船体表面的阻力特性.船型特有的滑行壁面能使其越峰后快速达到滑行状态,保证越峰后的快速性和纵向稳定性.     

水面无人艇危险规避方法

设计了一种符合国际海上航行规则的相对坐标系下动态规避方法,以处理水面无人艇的危险规避问题.根据国际海上航行规则将碰撞局面划分为追越、交叉相遇、正面相遇3种局面.计算相对坐标系下相对速度的改变量,并通过改变无人艇的航速和航向,完成对障碍物的危险规避.搭建了无人艇半实物仿真试验平台,以方便快捷地验证危险规避系统的可行性和可靠性.大量半实物仿真试验结果表明,基于所设计的无人艇危险规避方法可以有效地完成静止或运动障碍物的危险规避任务,规避航线合理,满足无人艇规避系统的要求.     

附体对潜艇兴波尾迹的影响分析

基于RANS(雷诺时均)方程和Realizable k-ε湍流模型,采用Simple算法求解压力-速度耦合项,建立了求解水下潜体兴波阻力的数值模型,并对潜艇近水面航行时的兴波特征进行了模拟.首先进行了网格及时间步长的收敛性验证,并验证了本数值模型的准确性.接着计算了SUBOFF潜艇在裸艇工况下以不同潜深航行时的兴波阻力,并针对特定潜深研究了潜艇在不同附体工况下以不同航速航行时的兴波特性.研究表明:当潜艇在弗劳德数为0.5附近时,兴波阻力系数最大;当潜深接近1/2艇长时,兴波阻力系数接近0;当单独存在尾翼附体时,会产生较大的兴波,驾驶舱与尾翼附体同时存在则会减少该影响;潜艇表面形状的突变会产生较大的压力变化.     

水下航行体兴波尾迹的快速分析法

为了预报水下航行体运动引起的水力特征尾迹,建立了一种水下航行体兴波尾迹和兴波阻力的快速分析模型,其Rankine源项采用Newman解析法进行求解,提高了计算效率.首先,介绍了该数值模型的理论基础和数值技术;接着,应用Newman细长体对该数值模型进行了系统的验证;然后,详细分析了Newman细长体和Suboff潜艇的兴波特征及其异同点;最后,分析了本数值模型的计算效率.研究表明:本计算模型能较好地预报水下航行体的兴波尾迹和兴波阻力,为水下航行体的型线优化、优良艇型的设计、兴波尾迹的实时预报提供了工程可实践性.     

无人艇航迹跟踪控制系统设计与验证

针对复杂湖面环境干扰下的无人艇自主航行控制问题,设计了一种有效的无人艇航迹跟踪控制系统。该系统从航迹跟踪控制算法、数据融合处理、上位机监控三个部分展开设计。在算法设计层面,将航迹跟踪控制问题分为外环和内环两部分,外环部分提出了一种自适应视线(Line of sight,LOS）制导算法,以求解目标航向角作为航向控制器的输入;内环部分设计了无模型自适应PID航向控制器,以实现无人艇稳定的航行。在数据处理层面,采用卡尔曼滤波算法对传感器信息进行融合,实现了对无人艇位置和姿态信息的准确估计。在监控层面,设计了一种可视化上位机软件,实时监测无人艇航行状态,保证航行安全。最后,利用实艇进行湖测实验,验证了该控制系统的有效性,结果表明该系统具备在内湖执行任务的能力以及应对复杂环境干扰的能力。     

基于FLUELT的滑行艇直航运动数值模拟计算

针对滑行艇运动的水动力性能预报问题,在FLUENT软件平台上,使用VOF方法,结合RNGk-ε模型,通过求解Navier-Stokes方程,对水面滑行艇的直航运动进行数值模拟计算,获得滑行艇航行阻力随航速变化规律.该规律直观反映了滑行艇周围流场变化情况和滑行艇艇底的压力变化情况.FLUENT计算结果与船模试验值及理论估计值的比较结果证明了在FLUENT平台上模拟水面滑行艇直航运动和研究水动力性能的可行性,该方法具有较高的准确性.     

片体对滑行艇横向抗倾覆性影响的数值研究

为提升滑行艇的横向抗倾覆性,提出了一种能够自由收放片体的新概念滑行艇,并对其单体和三体形态强迫横倾时的横向复原力臂和阻力进行了分析.首先,采用RANSE-VOF求解器计算无横倾时的阻力和航态,并开展试验进行验证.然后,模拟两种形态下不同固定横倾角静水中艇周围的绕流场,分析横倾角和片体纵横向位置对横向复原力臂和阻力的影响.研究结果表明:相比无横倾,当单体艇处于滑行阶段较小横倾时阻力显著下降,横倾角的增大使复原力臂更容易随航速增加而被提升;片体的释放能极大提升艇的横向抗倾覆性,且横倾角越大,效果越明显;当排水或半滑行阶段发生较小横倾时,片体横向比率应大于0.6,纵向应稍靠前,当发生较大横倾时,能够获得较大横向复原力臂的片体纵向位置随航速增加逐渐向后移动.     

重心高度对浮式结构水动力性能的影响

 通常在计算模拟海上浮式风机平台运动时, 外部结构形式是影响水动力性能的主要因素, 而重心在水动力计算中的影响则被忽略.为了研究重心变化对结构物水动力响应的影响, 以5MW浮式风机平台作为研究对象, 通过数值模拟的方法, 分别对浮筒间距、撑杆形式以及有无垂荡板与重心高度变化结合加以分析研究.结果表明:改变浮筒间距时, 重心高度对水动力性能的影响主要体现在横、纵摇及横、纵荡方面, 且浮筒间距较大的基础形式达到峰值响应时的重心更低;斜撑的改变与其随重心变动得到的运动幅值规律一致, 且峰值响应之后的各响应幅值在数值上基本相同;垂荡板的添加有效降低了纵摇及垂荡幅值;对于三浮筒半潜式平台, 最佳重心位置为水下3~8m处.     

转向架重心空间坐标的测定

依托于吉林大学研发的转向架参数测定试验台,提出了基于力矩平衡原理的重心空间坐标测试方法,建立了重心空间坐标的测试模型.被试转向架水平静止状态时测定纵向及横向坐标,垂向坐标的测定需运用试验台电液伺服控制系统将转向架沿纵向倾斜一定角度,分析倾斜状态下转向架的力矩平衡关系.运用齐次坐标变换矩阵原理构建了多六自由度平台复杂耦合运动的位姿反解模型,通过位姿反解得到各作动器协调控制的指令,实现垂向坐标的准确测试.对某型转向架重心坐标进行了测定,试验结果与理论值一致,证明了测试模型的准确性,以及测试方法的可行性.     

基于增强拓扑神经演化强化学习的水面无人艇局部路径规划

针对水面无人艇(unmanned surface vessel, USV)在复杂环境下的局部路径规划问题,对USV路径规划问题进行了数学建模,提出了基于增强拓扑神经演化(neuroevolution of augmenting topologies, NEAT)算法的局部路径规划方法;设计了神经网络初始结构和演化参数,对初始神经网络结构进行演化实现避障及到达指定目标的路径规划任务;通过设计适应度函数,实现路径点数目的优化。仿真结果表明:利用NEAT算法演化神经网络的方法能够使USV在复杂的环境中准确避开障碍物并到达目标点,且在路径点数目和鲁棒性方面优于传统的模糊逻辑算法与人工势场算法。     

基于A*算法优化的无人水面艇路径规划

为了解决A*算法在无人水面艇路径规划中无约束条件导致的安全问题,提出一种对A*算法的搜索优化和平滑优化方法。首先,对电子海图数据中的海洋环境信息进行提取,采用栅格法建立路径搜索空间的海洋环境模型,并使用坐标对栅格统一编号;其次,引入安全距离约束对A*算法进行搜索优化;最后,通过引入转向角约束,消除冗余节点达到平滑优化的效果。实验结果表明,通过对A*算法的优化处理,提高了无人水面艇路径规划的安全性,满足无人水面艇在复杂环境中全局路径规划的需求。     

高速无人艇的运动建模及其视景仿真

为探讨基于喷水推进方式的无人艇运动建模及其视景仿真方法,根据船舶操纵性和快艇动力学的基本理论,建立无人艇的动力学模型,并根据喷水推进器的倒车原理,提出分流系数法来分析喷嘴和倒车斗的受力,推导出相应的表达式,建立无人艇的六自由度操纵性数学模型.设计基于该模型的无人艇视景仿真的体系结构,并进行各种操纵性运动的仿真试验.结果表明,该运动模型能够较好地反映无人艇在海洋环境中的操纵性.     

21世纪以来中国人口重心动态转移路径及驱动力研究

运用重心模型、重心偏移距离和方向计算公式,选取2000—2013年统计年鉴数据,测算出人口重心地理坐标,结合重心路径几何图示法,在Arc GIS 10.0环境下绘制出人口重心动态转移路径图,从偏移方向、移动距离、移动速度、斜率等方面来研究在2000—2013年期间人口重心的空间转移动态变化路径,得到中国人口空间分布区域差异情况.研究表明:在2000—2013年期间,我国人口重心基本上位于(113°E,31°N)附近,人口空间分布的东西差异远大于南北差异,我国人口重心动态转移路径年际变化复杂,13年来总体趋势向东北偏移,但在近几年开始转向西北,移动速度缓慢,平均每年仅移动2.11 km.国家发展战略的提出是人口重心产生偏移的主要驱动力,从2015年国家新提出的"一带一路"发展战略,可以推测中国人口重心在近几年中将继续向西移动.     

伤员运载机器人楼梯环境运动稳定性

针对伤员运载机器人在楼梯环境的运动稳定性问题，分析机器人各关节运动对机器人运动稳定性的影响，建立机器人运动学模型。结合稳定锥方法与伤员运载机器人实际结构，通过MATLAB软件计算分析重心调整机构对机器人稳定性的影响，验证机器人通过重心调整后上楼梯运动的稳定性。仿真和实验表明，伤员运载机器人的重心调整机构能够有效的调整机器人的重心，调整后的机器人能够稳定的在楼梯环境中将伤员运出。     

基于GIS的山东省人口重心迁移研究

采用人口重心模型，在GIS技术支持下，着重对1989～2004年山东省人口重心迁移特征进行研究，并在此基础上分析人口重心迁移的主要影响因素．结果显示，山东省人口重心接近几何中心，人口重心自东北向西南方向迁移的趋势明显，人口重心移动轨迹呈现出一定的曲折和波动．山东省人口重心迁移受自然、社会经济和政策等多种因素的影响．     

基于重力p-median模型的支线机场物资供应中心选址

为解决偏远地区支线机场的物资供应问题，依托地区物流中心建立机场物资供应中心，从而实现地区物流中心的货物运输到各支线机场总成本最低、配送效率最高、综合效益最大。首先基于Voronoi图理论，形成了区域机场Voronoi图，采用重心法，确定出备选点位置；将重力p-median模型用于机场物资供应中心的选址，以可变运输总成本最小为目标函数，根据重力模型原理，结合机场物资供应中心点的吸引力、供应点到需求点的距离以及各机场物资需求量，采用改进的免疫优化算法，运用Matlab编程进行仿真，利用算例对选址模型进行仿真求解。仿真结果表明，p-median模型在算例中的应用，可以得出较为理想的机场物资中心选址，具有较强的实用性和可操作性。